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國家天文臺興隆觀測基地的大天區(qū)面積多目標(biāo)光譜天文望遠(yuǎn)鏡(英文簡稱LAMOST)。 |
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直徑1.75米的成像焦面之上,，密密麻麻地分布著4000根光纖探頭,。本報(bào)記者 杜躍進(jìn) 攝 |
| 編者按：溫家寶總理曾經(jīng)說過，一個(gè)民族有一些關(guān)注天空的人,，他們才有希望,；一個(gè)民族只是關(guān)心腳下的事情，那是沒有未來的,。
寥廓無垠的星空,，看上去是離我們最遙遠(yuǎn)的所在。但對星空的探索,，卻使人類不斷地豐富著自己,，就這個(gè)意義而言，星空又離我們很近,。天文學(xué)從來就不是一門孤立的科學(xué),，不僅是近代科學(xué)革命的搖籃，也是推動人類進(jìn)步的源泉之一,。今天,，天文學(xué)作為一門基礎(chǔ)學(xué)科，對其他自然科學(xué)的發(fā)展起著極大的推動作用,，研究成果直接服務(wù)于國防,、通訊,、導(dǎo)航、測地,、預(yù)報(bào)自然災(zāi)害等領(lǐng)域,。
中國的天文學(xué)家們經(jīng)過努力拼搏，研制出了世界上口徑最大的大視場光學(xué)望遠(yuǎn)鏡,，LAMOST以其中國原創(chuàng)的新概念和新方法,，極具創(chuàng)新的技術(shù)和工藝，代表了我國大型光學(xué)精密儀器的最高水平,，成為我國科技領(lǐng)域自主創(chuàng)新的典范,。她使人類觀測天體光譜的數(shù)目提高至千萬量級，使我國在該領(lǐng)域處于國際領(lǐng)先地位,。
中國的天文學(xué)家們將借助LAMOST巡天遙看億萬星河,，去發(fā)現(xiàn)宇宙中更多的奧秘。讓我們一起共同期待,。
LAMOST：燕山深處的“中國大眼睛”
宇宙是怎樣形成的,？宇宙中數(shù)以百億計(jì)的星系是如何構(gòu)成的？我們徜徉其中的銀河系又是如何形成和演化的,？仰觀深邃浩瀚的星空,，這些基本而又深奧的問題始終縈繞在古今中外無數(shù)哲人、詩人和科學(xué)家的心頭,。
古希臘哲學(xué)家泰勒斯,，長時(shí)間沉浸在對天空星辰的觀察中，結(jié)果不小心掉進(jìn)了水坑里,，有人笑話他只專注天空而忘了腳下的路,。后來，他利用觀察天空的知識推測出橄欖樹必獲豐收,，結(jié)果賺了一大筆錢,。諸葛亮夜觀天象借東風(fēng)大戰(zhàn)赤壁，已成為代代相傳的千古佳話,。18世紀(jì)偉大的哲學(xué)家康德曾經(jīng)說過：“世界上有兩件東西最能夠深深地震撼人們的心靈,，一件是我們心中崇高的道德律，另一件是我們頭頂上燦爛的星空,�,！�
科學(xué)家們從未停止過對這迷人星空的探索。2008年,，發(fā)生在河北興隆燕山深處的一件事情震驚了國際天文界：一雙在地面上可以觀測無垠星空的眼睛———由中科院國家天文臺承擔(dān)的國家重大基礎(chǔ)科學(xué)工程項(xiàng)目———大天區(qū)面積多目標(biāo)光譜天文望遠(yuǎn)鏡(英文簡稱LAMOST),，在國家天文臺興隆觀測基地誕生。
2009年6月4日,，耗資2.3億元的LAMOST項(xiàng)目順利通過了國家發(fā)展改革委組織的竣工驗(yàn)收,。
天文學(xué)家的描述是：LAMOST是目前世界上口徑最大的大視場光學(xué)望遠(yuǎn)鏡,，也是世界上光譜獲取率最高、最有威力的光譜巡天望遠(yuǎn)鏡,。LAMOST以其大視場,、大口徑以及多目標(biāo)光譜的探測能力，在跟隨地球自轉(zhuǎn)和隨太陽公轉(zhuǎn)的過程中,，可以對整個(gè)北天球及部分南天球進(jìn)行掃描探測,。
這是一項(xiàng)由中國天文學(xué)家自主設(shè)計(jì)、國際領(lǐng)先的技術(shù)創(chuàng)新,。
獲取更多星辰的“身份密碼”
盡管科學(xué)技術(shù)在不斷發(fā)展進(jìn)步，但科學(xué)家們還是不得不承認(rèn),，迄今為止,，科學(xué)只描述了宇宙的極小部分。在浩瀚的宇宙中,，人類已經(jīng)認(rèn)識的普通物質(zhì)只占4%,，而人類所不了解的暗物質(zhì)和暗能量各占22%和74%。
美國科學(xué)技術(shù)委員會提出的新世紀(jì)要解決的十一個(gè)科學(xué)難題中,，暗物質(zhì)和暗能量分別排名第一和第二,。科學(xué)家們認(rèn)為,，揭開暗物質(zhì)和暗能量之謎,，將是繼哥白尼的地心說、牛頓的萬有引力定律和愛因斯坦的相對論之后,，人類認(rèn)識宇宙的另一次飛躍,，并有可能引發(fā)現(xiàn)代物理學(xué)新的革命。
探測暗物質(zhì)和暗能量,，“光譜巡天”是重要的手段之一,。這是因?yàn)椋祗w光譜中蘊(yùn)涵著豐富的物理信息,，就像生物體的基因密碼DNA一樣,。人們?nèi)绻芙邮盏竭@些信息并對它們進(jìn)行分析，就可以解讀遙遠(yuǎn)天體的基本情況,，知道這些天體的距離,、構(gòu)成、分布以及運(yùn)動速度等等,。
可是,，受觀測手段的制約，在數(shù)以百億計(jì)的天體中,，人們只對其中的約萬分之一進(jìn)行過光譜測量,。要加強(qiáng)對未知宇宙的探測和研究,，大量天體光學(xué)光譜的獲取便成為關(guān)鍵。而要在足夠廣闊的太空中獲得足夠數(shù)量的星星的光譜,，首先需要具有能夠觀測多個(gè)天體光譜的技術(shù),，同時(shí)還必須具備兩個(gè)條件：一是觀測望遠(yuǎn)鏡的視場必須足夠大；二是觀測望遠(yuǎn)鏡的口徑也要足夠大,。如果用照相機(jī)作比喻,，大視場就相當(dāng)于廣角，口徑相當(dāng)于焦距,。
就口徑和視場而言,，目前世界上的天文望遠(yuǎn)鏡可大致分為兩種：一種是大口徑望遠(yuǎn)鏡，主要用于天體的細(xì)節(jié)觀測,，其視場很難做大,；另一種是大視場望遠(yuǎn)鏡，可同時(shí)巡天觀測很多天體,，但口徑卻很難做大,，因而很難觀測到暗弱的天體“大視場兼?zhèn)浯罂趶健保情L期以來天文望遠(yuǎn)鏡技術(shù)的一個(gè)難題,，也是眾多天文學(xué)家迫切希望解決的問題,。
魚與熊掌能否兼得？LAMOST試圖解決這一世界級難題,。
獨(dú)具特色的“中國大眼睛”
上世紀(jì)90年代,，世界天文學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展。為了在競爭激烈的國際天文學(xué)前沿占有一席之地,，我國天文學(xué)家王綬琯院士,、蘇定強(qiáng)院士等針對天文研究中“大規(guī)模天文光譜觀測嚴(yán)重缺乏”這一情況，提出了“大視場與大口徑兼?zhèn)洹钡奶煳耐h(yuǎn)鏡新概念及LAMOST的初步方案,。方案創(chuàng)造性地將40多米長的鏡筒固定,，并用主動光學(xué)技術(shù)(即鏡面可控，實(shí)時(shí)變化)來實(shí)時(shí)產(chǎn)生非球面面形不斷變化的高精度鏡面,，從而使得大口徑的大視場望遠(yuǎn)鏡成為可能,。這一巧妙的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，突破了國際上光學(xué)望遠(yuǎn)鏡大口徑和大視場難以兼?zhèn)涞钠款i,。后經(jīng)中科院國家天文臺南京天文光學(xué)技術(shù)研究所所長崔向群研究員,、中國科技大學(xué)褚耀泉教授等人進(jìn)一步的研究細(xì)化和論證，形成了LAMOST的具體方案,。
將LAMOST這一優(yōu)秀的設(shè)計(jì)方案變?yōu)楝F(xiàn)實(shí),，意味著大量世界級技術(shù)難題的攻克：首次在一塊大鏡面上同時(shí)應(yīng)用薄變形鏡面主動光學(xué)技術(shù)和拼接鏡面主動光學(xué)技術(shù)，并控制鏡面面形精度達(dá)頭發(fā)絲的數(shù)千分之一,；首次實(shí)現(xiàn)六角形的主動可變形鏡;首次在一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)中同時(shí)采用兩塊大口徑的拼接鏡面,；首次應(yīng)用并行可控的4000根光纖的定位技術(shù),，而目前國際上同類設(shè)備僅有640根光纖……
鑒于項(xiàng)目涉及多項(xiàng)高難度的技術(shù)挑戰(zhàn)，曾有專家擔(dān)心LAMOST的創(chuàng)新方案能否付諸現(xiàn)實(shí),。1994年2月,，正在歐洲南方天文臺參加VLT望遠(yuǎn)鏡研制的主動光學(xué)專家崔向群，為了LAMOST的建設(shè),，毅然攜全家回國,，全身心地投入到了LAMOST的工作中。LAMOST立項(xiàng)后,，這位優(yōu)秀的女科學(xué)家擔(dān)任總工程師,，領(lǐng)導(dǎo)了整個(gè)LAMOST望遠(yuǎn)鏡的研制。
1998年4月,，南京天文光學(xué)技術(shù)研究所開始了LAMOST核心關(guān)鍵技術(shù)———1米口徑六角形薄鏡面主動光學(xué)技術(shù)的攻關(guān),。這項(xiàng)技術(shù)的成功與否直接決定了LAMOST的成敗。經(jīng)過2400多個(gè)日日夜夜的奮力拼搏,，在克服了波前傳感器、主動支撐,、精密跟蹤,、大氣視寧度改善等一系列技術(shù)難關(guān)后，于2004年11月取得突破性的進(jìn)展,，獲得成功,。
此后，拼接鏡面主動光學(xué)技術(shù),、光纖定位技術(shù),、六邊形的施密特改正鏡MA子鏡的研制、8米直徑的高精度精密轉(zhuǎn)臺等一項(xiàng)項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)陸續(xù)獲得突破,，最后于2008年8月完成全部安裝,、調(diào)試，LAMOST這一宏大的具有世界前沿水平的大科學(xué)工程勝利完工,。
到LAMOST身邊看個(gè)究竟
6月4日,，是LAMOST項(xiàng)目接受國家發(fā)改委組織的專家驗(yàn)收的日子。早上七時(shí)許,，記者一行驅(qū)車從北京出發(fā),，沿京承高速往東北方向行駛，兩個(gè)多小時(shí)后到達(dá)國家天文臺興隆觀測基地,。
在興隆縣城東北約五公里的山腳下,，就可看到矗立在山頂上的銀白色龐然大物———一個(gè)頂部為半球形的大圓柱體連接著一個(gè)斜臥在兩個(gè)圓柱上的巨型長筒。整體建筑南北方向坐落,，猶如一匹昂首飛天的白色駿馬,。這就是蜚聲中外的LAMOST大型天文望遠(yuǎn)鏡了,。
汽車在山路上蜿蜒，興隆觀測基地被連綿起伏的燕山山脈包圍著,。山頂上樹木蔥郁,，空氣純凈，涼爽宜人,。綠樹簇?fù)碇腖AMOST距我們越來越近,，顯得越來越大。
乘電梯上至五層,，來到了LAMOST的半球形圓頂內(nèi),，被稱為反射施密特改正鏡(也叫MA)的巨大圓形鏡面出現(xiàn)在眼前。MA由24塊六邊形的鏡片拼接而成,，口徑是5.72米×4.40米,。LAMOST項(xiàng)目總經(jīng)理、國家天文臺興隆觀測基地主任趙永恒對記者說,，MA的作用是：接收來自宇宙深處的天體光譜光線,，然后經(jīng)過自身的形變和反射，即篩選處理(所謂“改正鏡”便是此意),，將調(diào)整后的光線反射到球面主鏡(也叫MB)上,。
球面主鏡設(shè)置在斜臥長筒內(nèi)的高端，由37塊正六邊形鏡片拼接而成,。球面主徑將來自改正鏡的光線進(jìn)行成像聚焦,，并投射在成像焦面上。
在直徑1.75米的成像焦面之上,，密密麻麻地分布著4000根光纖探頭,。這些探頭由8000個(gè)小型電機(jī)驅(qū)動，可以在觀測不同的天區(qū)時(shí)按照星表的位置快速將4000根光纖精確定位,，即對準(zhǔn)4000個(gè)天體,。觀測時(shí)通過改正鏡MA的8米的跟蹤機(jī)架和焦面板的旋轉(zhuǎn)，精確跟蹤目標(biāo)隨時(shí)調(diào)整方向,，保證光纖探頭能始終對準(zhǔn)星星,。也就是說，望遠(yuǎn)鏡看到的每個(gè)天體都由一個(gè)光纖探頭來對應(yīng)成像,，記錄其“DNA”信息,。
光纖探頭所連接的終端是使天體像變成光譜的16臺光譜儀和記錄天體光譜的32臺CCD照相機(jī)。觀測控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)根據(jù)科學(xué)需求調(diào)整觀測計(jì)劃和對光譜進(jìn)行分析,，得到用于科學(xué)研究的光譜分析數(shù)據(jù)圖表,，并記錄普查的天體光譜“戶口”供天文學(xué)研究使用。
當(dāng)夜幕降臨時(shí)，LAMOST將打開圓形穹頂,，來自遙遠(yuǎn)宇宙中的星光由此進(jìn)入到MA鏡面上,。天文家們對浩瀚宇宙中一個(gè)個(gè)神秘天體的解讀便悄然開始。由于LAMOST實(shí)現(xiàn)了“大視場與大口徑兼?zhèn)洹�,，在曝�?.5個(gè)小時(shí)內(nèi),，可以觀測到20.5等的暗弱天體，同時(shí)最多獲得4000個(gè)天體的光譜,。
正是這一明亮的“中國大眼睛”,，將中國獲取天體信息的能力由“百萬級”提升到了“千萬級”。
巡天遙望河外星系
6月4日下午,，LAMOST項(xiàng)目順利通過了國家發(fā)改委,、科技部、國家檔案局,、國家自然科學(xué)基金委員會等單位專家的竣工驗(yàn)收,。驗(yàn)收專家認(rèn)為，LAMOST全體人員全面優(yōu)質(zhì)完成了工程建設(shè)任務(wù),，其中望遠(yuǎn)鏡光學(xué)像質(zhì),、跟蹤指向精度顯著優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)，LAMOST已具備甚至超過了預(yù)期能力,，成為目前國際上口徑最大的大視場望遠(yuǎn)鏡和光譜獲取率最高的望遠(yuǎn)鏡,。
此時(shí)，作為LAMOST工程建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組組長的中科院常務(wù)副院長白春禮院士顯然心情激動,。他說：“今年是國際天文年，紀(jì)念伽利略首次使用望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行天文觀測400周年,。400年來,，天文望遠(yuǎn)鏡經(jīng)歷了無數(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新，而LAMOST通過創(chuàng)造性地應(yīng)用主動光學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了用傳統(tǒng)方法無法實(shí)現(xiàn)的光學(xué)系統(tǒng),，開創(chuàng)了望遠(yuǎn)鏡的一個(gè)新類型,，使中國第一次在望遠(yuǎn)鏡類型上占有一席之地！”
由于LAMOST,，興隆,，這個(gè)名不見經(jīng)傳的燕山山脈里的小地方，一時(shí)間成為天文學(xué)家心目中的圣地,。
80多歲的國際著名天文光學(xué)家A.B.Meinel教授,，是美國基特峰國家天文臺第一任臺長，亞利桑那大學(xué)光學(xué)科學(xué)中心創(chuàng)始人,，曾任美國光學(xué)學(xué)會主席,。他在得知LAMOST建成的消息后，在給項(xiàng)目總工程師崔向群的信中說：“如果我還年輕，現(xiàn)在我愿意和你們一起在興隆經(jīng)歷這個(gè)新概念望遠(yuǎn)鏡的非常時(shí)期,�,！彼谛胖羞�說：“在高度競爭的國際科學(xué)界中，LAMOST以其強(qiáng)大的能力,，可讓天文學(xué)家做出更好的工作來,。”
主動光學(xué)專家LotharNoethe博士,，是歐洲南方天文臺42米極大口徑光學(xué)/紅外望遠(yuǎn)鏡E-ELT光學(xué)部主任,。他曾任4x8.2米望遠(yuǎn)鏡VLT項(xiàng)目主動光學(xué)負(fù)責(zé)人。作為國際評估專家,，他參加了2008年10月16日在興隆舉行的LAMOST落成典禮,。當(dāng)別的專家都離開的時(shí)候，他要求留下來體驗(yàn)一下夜空群星璀璨時(shí)的LAMOST,。當(dāng)晚,，L.Noethe在興隆觀測站與LAMOST項(xiàng)目人員一起跟星測試LAMOST主動光學(xué)系統(tǒng)控制望遠(yuǎn)鏡光學(xué)成像質(zhì)量的水平，測試完畢之后,，他興奮地給崔向群打電話說,，LAMOST的光學(xué)像質(zhì)當(dāng)晚達(dá)到0.2角秒，光學(xué)成像像質(zhì)與歐洲4×8.2米甚大望遠(yuǎn)鏡VLT相當(dāng),。此后,，他在給崔向群的E-MAIL中寫道：“我個(gè)人認(rèn)為，望遠(yuǎn)鏡不僅是一個(gè)科學(xué)儀器,，還是一個(gè)光學(xué)設(shè)計(jì)創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)臺,。如果將來有建造一個(gè)更大的LAMOST的計(jì)劃，如建在南極,，你們將可以顯示出LAMOST的光學(xué)像質(zhì)能夠達(dá)到0.1角秒,。”
國際著名的天文學(xué)家,、芝加哥大學(xué)的Don.York教授在接受美國《科學(xué)》雜志采訪時(shí)說：“由于LAMOST令人畏懼的技術(shù)挑戰(zhàn),，并不是每個(gè)中國的科學(xué)家都是傾心于LAMOST，但我是LAMOST的‘粉絲’”,。
《LAMOST項(xiàng)目國際評估委員會報(bào)告》這樣評價(jià)道：“LAMOST獨(dú)一無二地結(jié)合了為數(shù)眾多的光纖,、大視場以及大口徑望遠(yuǎn)鏡幾個(gè)方面的優(yōu)勢，從而一定能夠在下個(gè)十年中的光譜巡天方面處于領(lǐng)先的地位,。這一設(shè)備將使中國天文學(xué)家在銀河系和河外星系天文學(xué)等領(lǐng)域獲得無與倫比的科學(xué)研究機(jī)會,。”
主動光學(xué)發(fā)明人,、歐洲南方天文臺國際著名天文望遠(yuǎn)鏡光學(xué)專家RayWilson說：“LAMOST不僅是惟一能使施密特望遠(yuǎn)鏡的口徑增大的途徑,，而且是主動光學(xué)的最先進(jìn)和非凡的應(yīng)用,。”“LAMOST的成功,，不但是中國科技的勝利,，也將是整個(gè)國際天文界的勝利�,！�
專家指出,，LAMOST的科學(xué)目標(biāo)將集中在河外星系巡天、銀河系結(jié)構(gòu)和演化以及多波段目標(biāo)證認(rèn)三個(gè)方面,。LAMOST將對北天可觀測的約14000平方度高銀緯天區(qū)進(jìn)行光譜巡天觀測,，其中包括北、南銀冠區(qū)各250萬個(gè)恒星,、250萬個(gè)星系的巡天,，150萬個(gè)亮紅星系巡天和約100萬個(gè)類星體的觀測，這些資料將在宇宙模型,、暗物質(zhì),、暗能量、大尺度結(jié)構(gòu),、星系形成和演化等研究上做出重大貢獻(xiàn),。
LAMOST巡天獲得的資料將對國內(nèi)外天文學(xué)界公開。 |